虚拟仿真技术在能源与动力工程实训教学中的应用

薛香玉 张宏 张锋 王博 张斌

[摘 要] 虚拟仿真教学具有自由度高、交互性强和成本低廉的优点，可以让学生在计算机上获得身临其境的学习体验。虚拟仿真平台可以全范围再现火电机组生产运行的整个流程，通过计算机模拟火电厂的运行过程及高温高压等高危生产场景。将虚拟仿真技术应用于能源与动力工程的实训教学中，满足了新冠肺炎疫情常态化下线上实训的需求，促进了实验室信息化建设与实训教学的深度融合，也为学生参加创新创业训练、课程设计、毕业设计及科研提供了平台，拓展了平台的应用范围。

[关键词] 虚拟仿真;能源与动力工程;实训教学

[基金项目] 2017年度陕西科技大学教改项目“虚拟仿真实验中心建设”（17Y059）

[作者简介] 薛香玉（1987—），女，陕西韩城人，硕士，陕西科技大学机电工程学院实验员，主要从事新能源发电研究;张 宏（1963—），男，贵州贵阳人，硕士，陕西科技大学机电工程学院教授，主要从事新能源科学及技术研究;张 锋（1966—），男，陕西西安人，硕士，陕西科技大学机电工程学院副教授，主要从事热能动力系统节能技术研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）33-0133-04    [收稿日期] 2021-03-25

近年来，随着科技的发展，智慧化教育和信息化教育的浪潮正在席卷高等教育。虚拟仿真技术在推动教学理念变革和教育信息化方面的作用日益凸显。本文将介绍我校能源与动力专业或电厂虚拟仿真平台在实训教学中的应用情况。

一、能源与动力工程专业的实训特点

能源与动力工程专业涉及热力发电、制冷、内燃机和新能源等多个模块，其培养内容既包括了与传统能源行业相关的设备及流程，如锅炉、汽轮机、内燃机和动力设备安装与维护等，也包括了新兴的新能源利用相关技术，具有课程种类多、课程数量大和知识面广的特点。能源动力类的实训课程具有以下特点。

（一）生产安全要求高

操作条件多为高温高压状态。操作对象有高温高压蒸汽、天然气、空气、氧气和混合物质，实验的压力范围和温度范围较大。这对于学生的操作无疑有重大的安全隐患，出于安全考虑，许多实习或实验中的学生只能观察不能靠近，因此学生缺乏实践机会。

（二）设备复杂且庞大

设备的体量较大，流程较为复杂，例如锅炉、除尘器和汽轮机等，实验设备昂贵，因此设备的经费和场地都限制了实验过程。

（三）设计类型项目较少

目前能动类实训课程大多操作流程教程相对固定，学生不能进行自主设计与搭建，学生热情不高。

（四）课时量大

学生人数多，且课程数量多，受制于实验台套数和学生的时间安排，实训类课程安排紧张，教师也很难有时间在课堂上与学生进行充分的互动，因此存在对学生指导不够的情况。

二、虚拟教学的特点

虚拟仿真教学是利用计算机模拟真实的生产过程，让学生可以在计算机上进行仿真操作，并获得身临其境的学习体验，在虚拟环境中掌握火力发电厂的主要原理、工艺流程和运行特点。

（一）自由度高

虚拟仿真实验涵盖面广，综合性强，有大量的软件公司开发出了多种仿真实训平台，学生可以根据需要自主设计实训内容，随时随地进行实训，仿真平臺还可以多次反复实验，最大限度地满足学生的各种需求。

（二）交互性强

传统的实训课堂大多是通过视频和讲述的方式向学生呈现高危工况，学生难以产生真实的体验。结合多媒体（例如音频、视频和图像等）技术的虚拟仿真实训，让学生有了身临其境的感觉，丰富了实训教学的课堂形式。

（三）可变更操作条件

虚拟仿真实训可以演示一些复杂、抽象、高危、周期较长及不便于直接操作或者观察的项目，例如超临界锅炉这类的高温高压设备工作过程。

三、基于虚拟仿真技术的能动实验教学的优势

我校实验中心目前已建成火电厂虚拟仿真平台，可以满足学生自主和个性化学习的要求，同时正在建设新能源仿真平台。结合近几年的仿真实验开展情况进行分析，我校实验中心基于虚拟仿真技术的能动实训教学的优势如下。

（一）满足多种学习需求

利用网络平台，虚拟仿真实训教学平台可向学生提供远程学习，满足学生线上学习的要求。学生自行进行练习，仿真平台可以对练习情况进行打分和评价，给出分析报告。仿真实训也为学生参加创新创业训练、课程设计、毕业设计及科研提供了平台，这些都极大地拓展了平台的应用范围[1]。

（二）降低专业教育成本

虚拟仿真实验为能动专业的学生提供了安全、便捷的操作平台，以较少的资金和人力投入实现了高危或花费较大的实验教学功能，帮助学生掌握专业知识，提高实践能力，并完成技能培养。

（三）满足了新冠肺炎疫情常态化下线上实训的需求

新冠肺炎疫情期间，为了安全，学生不能到校外参加实习，因此转为在校实习。虚拟仿真平台既可以为学生提供校内实训平台，又可以进行线上授课。

（四）促进实验室信息化建设

虚拟仿真技术推进了信息化技术融入实践教学的进程，既可以满足对教学数据的信息化存储与管理，又可以实现对教学数据的分析及统计，提高了教学综合管理效率。学生可以不受开放时间的限制，根据个人的时间安排，在移动终端上远程访问虚拟仿真平台，实现远程学习[2]。

四、能源动力专业虚拟仿真实训平台的概况

（一）火电厂虚拟仿真实训平台

火电厂虚拟仿真实训平台可以完整再现整个火电厂的生产流程，全范围1∶1模拟DCS控制系统，主要包括机组正常启停机、紧急事故处理和生产试验等运行操作练习，也可以进行仿真系统算法验证实验等。该仿真机由清华紫光仿真有限公司提供，仿真对象包括锅炉系统、汽轮机系统、发电系统、公共系统和安全系统等。火电厂虚拟仿真平台的硬件主要包括服务器、下位机和备用电源等。主机采用高性能的服务器，内置火电厂仿真模型，使用人员可根据自身的实际修改、添加或删除模型，也可以改变控制策略等。教练员站和操作员站均使用可视化的操作系统，可直接在仿真系统中进行建模及操作。教练员站可实现仿真教学、演示和练习评价等培训功能。操作员站可以与服务器通过局域网相连，实时进行数据传输。